基于组态软件的化工厂监控系统设计
第1章绪论
1.1课题研究的意义
随着社会的发展，化工厂反应车间的结构越来越复杂，由于原料液体的混合控制不便于人工现场操作，因此，开发和研究反应车间的监控系统具有十分重要的意义，设计中利用了组态王软件对反应车间进行监控，提供了较为直观、清晰、准确、稳定的现场运行状态，使用者可在家里，办公室等位置对系统进行控制，系统可对现场信号进行报警、报表等操作，这些都证明系统具有良好的开发前景和使用价值。[2]
基于组态软件的监控系统减少了监视对人力依赖，降低了人文的成本，提高了经济效益。为系统的生产运行和管理提供了科学，准确的依据，同时由于监控组态软件是个新兴的事物，对它的认识还有很多不足的地方，监控组态系统的施工，验收，管理方面的工作还在摸索阶段。但随着电力设备、监控组态软件的不断改进、更新，监控组态软件在系统中将具有更广阔的应用前景。[3]
1.2 课题研究背景
组态软件产品于80年代出现。并在80年代末期进入我国。但在90年代中期前，组态软件在我国的应用并不普及。随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式。监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。60年代虽然计算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。[1]70年代初期，微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。首先，微处理器在提高计算能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机体积，很多从事控制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统，这一历史时期较有代表性的就是1975年美国Honeywell公司推出的世界上第一套DCS TDC －2000，而随后的20年间，DCS及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广泛应用，此时的DCS已具有较丰富的软件，包括：计算机系统软件（操作系统）、组态软件、控制软件、操作站软件、其它辅助软件（如通讯软件）等。[7] 这一阶段虽然DCS技术、市场发展迅速，但软件仍是专用和封闭的，除了在功能上不断加强外，软件成本一直居高不下，造成DCS在中小型项目上的单位成本过高，使一些中小型应用项目不得不放弃使用DCS。[6]80年代中后期，随着个人计算机的普及和开放系统（Open System)概念的推广，基于个人计算机的监控
系统开始进入市场，并发展壮大。[5]组态软件作为个人计算机监控系统的重要组成部分，比PC监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。这是因为，第一，很多DCS和PLC厂家主动公开通讯协议，加入“PC监控”的阵营。目前，几乎所有的PLC和一半以上的DCS都使用PC做为操作站。第二，由于PC监控大大降低了系统成本，使得市场空间得到扩大，从无人值守的远程监视（如防盗报警、江河汛情监视、环境监控、电信线路监控、交通管制与监控、矿井报警等）、数据采集与计量（如居民水电气表的自动抄表、铁道信号采集与记录等）、数据分析（如汽车/机车自动测试、机组/设备参数测试、医疗化验仪器设备实时数据采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检等）到过程控制，几乎无处不用。第三，各类智能仪表、调节器和PC－Based设备可与组态软件构筑完整的低成本自动化系统，具有广阔的市场空间。第四，各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。[4]
1.3 本论文主要研究内容
本设计是基于组态软件的化工厂监控系统，利用组态软件，绘制画面，方便控制与监控，具体步骤如下：
1.建立一个集中管理、分散控制及性能可靠的现场控制、过程监视和计算机管理一体化的系统；
2.完成对整个工艺过程及全部生产设备的自动监测和控制；
3.显示各工艺过程的工艺电气参数及主要设备的运行状态信息；
4.对现场数据进行分析、处理、储存，对各类工艺参数做出趋势曲线并自动生成各类报表；
5.报警系统将现场设备的各种故障在中控室进行声、光报警，并能将故障分类打印。
第2章软件介绍
2.1 组态简介
组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统正以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统，它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为实验者提供了可视化监控画面，有利于实验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows 的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。[8]
组态王软件是一种通用的工业监控软件，它把过程控制设计、现场操作及工厂资源管理于一体，将一个企业内部的各种生产系统和应用以及信息交流汇集在一起，实现最优化管理，它基于Microsoft Windows XP/NT/2000操作系统，用户可以在企业网络的所有层次的各个位置上都可以及时获得系统的实时信息。采用组态王软件开发工业监控工程，可以极大地增强用户生产控制能力、提高工厂的生产力和效率、提高产品的质量、减少成本及原材料的消耗。它适用于从单一设备的生产运营管理和故障诊断，到网络结构分布式大型集中监控管理系统的开发。它以标准的工业计算机软、硬件平台构成的集成系统取代传统的封闭式系统。[9] 组态王软件结构由工程管理器、工程浏览器及运行系统三部分构成。工程管理器：工程管理器用于新工程的创建和已有工程的管理，对已有工程进行搜索、添加、备份、恢复以及实现数据词典的导入和导出等功能。工程浏览器：工程浏览器是一个工程开发设计工具，用于创建监控画面、监控的设备及相关变量、动画连接、命令语言以及设定运行系统配置等的系统组态工具。运行系统：工程运行界面，从采集设备中获得通讯数据，并依据工程浏览器的动画设计显示动态画面，实现人与控制设备的交互操作。[11]
使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：(1)图形界面的设计，(2)构造数据库，(3)建立动画连接，(4)运行和调试。使用组态王软件开发具有以下几个特点:(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。(2)该系统是中文界面,具有人机界
面友好、结果可视化的优点。[15]对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:(1)图形,是怎样用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。[10]
2.2 组态特点与实践
它具有适应性强、开放性好、易于扩展、经济、开发周期短等优点。通常可以把这样的系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制，且在自动控制系统中完成上传下达、组态开发的重要作用。尤其考虑三方面问题：画面、数据、动画。通过对监控系统要求及实现功能的分析，采用组态王对监控系统进行设计。组态软件也为试验者提供了可视化监控画面，有利于试验者实时现场监控。而且，它能充分利用Windows的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利的生成各种报表。它还具有丰富的设备驱动程序和灵活的组态方式、数据链接功能。[13] 使用组态王实现控制系统实验仿真的基本方法：(1)图形界面的设计，(2)构造数据库，(3)建立动画连接，(4)运行和调试。[12]
使用组态王软件开发具有以下几个特点:(1)实验全部用软件来实现,只需利用现有的计算机就可完成自动控制系统课程的实验,从而大大减少购置仪器的经费。
(2)该系统是中文界面,具有人机界面友好、结果可视化的优点。对用户而言,操作简单易学且编程简单,参数输入与修改灵活,具有多次或重复仿真运行的控制能力,可以实时地显示参数变化前后系统的特性曲线,能很直观地显示控制系统的实时趋势曲线,这些很强的交互能力使其在自动控制系统的实验中可以发挥理想的效果。[14]
在采用组态王开发系统编制应用程序过程中要考虑以下三个方面:(1)图形,是用抽象的图形画面来模拟实际的工业现场和相应的工控设备。(2)数据,就是创建一个具体的数据库,并用此数据库中的变量描述工控对象的各种属性,比如水位、流量等。(3)连接,就是画面上的图素以怎样的动画来模拟现场设备的运行,以及怎样让操作者输入控制设备的指令。
2.3 建立应用工程的过程
通常情况下，建立一个应用工程大致可分为以下几个步骤：第一：创建新工程。
为工程创建一个目录来存放与工程相关的文件。
图2-1 建立工程路径
在对话框中所建立工程的存贮位置。
图2-2 建立工程名称描述
为建立的工程选取工程名，有便于存储和记忆。此外，对所建立的工程可以进行一些相关的工程描述，然后进入该工程。
图2-3 建立工程画面
进入所建工程后，点击左边框内的画面，在右边框内点击新建。便可建立新的画面。此外，在左边框内。有些东西我们会用到，画面，我们需要自己构造所需画面来进行动画连接。命令语言，使我们对我们所构建的画面的编程，有了编
程，我们的画面才能按照我们的要求动起来。数据词典，使我们构建变量的地方。设备，是可以连接PLC的设置。
图2-4 定义画面
点击新建后，会弹出如上图所示对话框，在这个对话框中，我们可以给我们新建的画面命名，还可以对它进行一定的注释，画面位置中可以随意改变你所需要画面的大小，高度，宽度等。画面风格中，可以设置画面的样式，标题杆式或大小可变动式。背景色是指画面背景的颜色。类型有覆盖式，替换式，弹出式可供选择。
第二：制作画面。
图2-5 制作画面
进入新建的画面后，我们就可以进行相应的构建画面，通过右边工具栏我们可以构建任何想画的图案。文件中我们可以打开画面和关闭画面，此外做好的画面可以在文件中全部存，然后切换到运行状态。在编辑中，我们也可以进行一些简单的操作，取消、重做、复制、粘贴、剪切、动画连接、页面属性、插入控件等简单操作。在排列中，我们可以对图素进行一定的操作，图素前移、图素后移、合成单元、分裂单元、顺逆时针旋转等操作。工具中是一些简单的绘图工具，点、线、体等，此外还有必不可少的按钮，菜单，历史曲线，实时曲线，报警窗口，报表窗口等。图库是组态王软件中自带的图形工具，它具有我们需要的一些画图的基本图形，此外，如果需求量大，我们还可以从网上下载图库添加到自己的组态中以供使用。画面可以随便切换我们已画好的画面。
第三：定义硬件设备并添加工程变量。
添加工程中需要的硬件设备和工程中使用的变量，包括内存变量和I/O变量。
图2-6 添加变量
变量类型分为8种，大体分为内存和I/O，然后又细分为离散，整数，实数，字符串。离散即为0或1，常用于开关、阀门、隐含等设置。整数和实数即为所需要明确数量的数值。字符串即为所需要的字符串。根据所做的设计可以建立相关的变量。此外还可以设定变量的初始值，最大值，采集频率等。采集频率即为反应时间。此外，需要连接PLC的可以点击连接设备可以进行相应的设置。
第三：制作图形画面并定义动画连接。
按照实际工程的要求绘制监控画面并使静态画面随着过程控制对象产生动态效果。
图2-7 制作画面
第四：编写命令语言。
通过脚本程序的编写以完成较复杂的操作控制。
图2-8 编写程序
在这个对话框中，我们可以进行程序的编写，分为启动时，运行时，停止时。变量可以添加我们先前设置好的比变量。函数中有很多函数可以供我们编辑程序使用。
第五：进行系统的配置。
对运行系统、报警、历史数据记录、网络、用户等进行设置，是系统完成于现场前的必备工作。
第六：保存工程并运行。
完成以上步骤后，一个可以拿到现场运行的工程就制作完成了。
第3章组态画面设计
3.1 生产原料
笼统的讲,化工厂生产中为主原料的是天然气与液氨,或其他初级化学品原料.产品则是由它们而衍生的石油化工产品和精细化学品.比如石灰,化肥.医用酒精等等,包括化妆品都可以说是属于化工产品.化工原料一般可以分为有机化工原料和无机化工原料两大类。
3.2 主画面设计
程序运行时首先进入主画面，显示化工厂的整个布局图和一些报警、曲线等。画面下方显示对用户信息的管理包括切换各个车间画面。画面共包含5幅生产画面（其中配料系统画面包含3个子画面）、1幅传送车间画面、1幅包装车间画面、一副搅拌车间画面。当鼠标移动到相关按钮的小图标时，小图标会出现方框，点击鼠标左键，画面会切换到相关工艺画面。也可通过画面上方的菜单栏进行各个画面和报警、曲线的切换。
3.3 工艺画面设计
本设计共5副操作画面，分别实施不同的工艺操作与监控。通过界面的按钮可以不同的切换各个画面进行监控。
3.3.1液体混合混合
本车间是将工业工艺液体原料进行混合，组态画面中可显示3种原料的混合，并显示各种原料的液位。
有机化工原料可以分为烷烃及其衍生物、烯烃及其衍生物、炔烃及衍生物、醌类、醛类、醇类、酮类、酚类、醚类、酐类、酯类、有机酸、羧酸盐、碳水化合物、杂环类、腈类、卤代类、胺酰类、其它种类。
无机化工原料可以分为无机酸、无机碱、无机盐、氧化物、单质、工业气体和其它种类。
此车间是将一些基本的化工所需颜料进行混合。
图3-1 液体混合
本画面显示液体混合，分别有罐1，罐2，罐3，罐4，罐5,5个液体罐，由罐1，罐2，罐3,3个罐的液体进行混合，然后进入罐4，罐5。3个液体罐通过阀门的控制可以控制液体的流动从而控制罐4的液体。当罐4液体过多时，就会流入罐5,再流入其他液体罐。画面上方的按钮可以随时切换画面以便于浏览，监控。下方的显示框可以显示各个液体罐的液体容量。
3.3.2传送车间画面
原料经传送车间的传送带将送入搅拌，磨细后的原料分别送至料浆罐储存。物料经过传送带送给料机、在搅拌车间进行搅拌处理，破碎后的原料经斗式提升机送入储仓，然后经螺旋输送机送入搅拌车间，磨细后的物料经螺旋输送机、斗式提升机送入粉料配料仓中。通过画面上方的按钮可以选择浏览其他的操作车间画面以及功能画面的显示，所有开关和阀门均可自动和手动控制。
图3-2 传送车间
传送车间是由一个液体罐和传送装置组成，液体罐的流入通过阀门的控制，阀门开关可以手动控制液体的流入。如果液体罐的液位低于一定量的时候，阀门会自动打开，液体由管道流入罐内，当液体过多时，阀门会自动关闭。传送装置的工作流程是机械手会把物体由右向左拖动，移至液体罐时将物体放入，进行颜色处理的等操作，然后物体由传送带传入下个工作车间，而机械手则再次取新的原始物块进行往返操作。画面上方的按钮可以随便切换画面以便浏览，监控。右方的显示框内则显示车间液体罐的液位和温度。左边的温度按钮可以直接调节工作车间温度。
3.3.3 称重车间画面
化工原料要进行一定的混合称重，要按照一定的比例来进行生产，原料由传送车间传送到称重车间，对一些原料进行称重以及混合。通过称重可以掌握生产所需要的比例。然后进行相关生产。
图3-3 传送车间
本画面是一个物料混合称重的画面，水箱和原料1混合以后进入混合罐内进行称重，原料2同时也进行称重，分别在两个称重罐内可以显示重量。水箱阀门控制水箱水的流入，当液体罐低于10时，水箱阀门开，液体流入，当水箱液位高于90时水箱阀门自动关闭，液体将不再流入，水箱阀门1将自动打开，水箱水将流入混合罐中，同时，当原料1低于10时，原料1的阀门将自动打开，原料1就流入原料罐中。当原料1高于90时，原料1阀门将自动关闭，原料1停止进入原料罐，原料罐中的原料1将流入混合罐中于水箱水很合称重。于此同时，原料2通过阀门的控制也将流入混合罐2中称重。画面上方的按钮可以随便切换车间画面，以便于观测和监控。下方的显示框中显示水箱、原料1、原料2的容量和混合罐1，混合罐2的称重结果。
3.3.4液体搅拌画面
化工原料由粉料配料仓下的螺旋输送机依次送到自动计量秤累计计量，秤下有螺旋输送机可将物料均匀加入浇注搅拌机内。将这些原料放入计量缸计量，在各种物料计量后模具已就位的情况下，即可进行料桨搅拌，料将在浇注前应达到工艺要求（大约40°C），如温度不够，可以手动调节车间温度。
图3-4 搅拌车间
3.3.5包装车间画面
物体进过层层处理后，要包装出产。此时会进入到包装车间，包装车间会对物体进行一定的处理和包装，物体经过传送带依次进入到两个处理厢中，进行一些简单的处理。
图3-5 包装车间
本画面是包装车间的工作流程，物体将由左到右进入切割厢中，当按下启动按钮时，物块开始移动，先进入一次切割厢中，进行切割，物块将变为自身的1/2，再次进入第二个包装厢中进行操作，会把物体进行简单的包装。画面左上方的按钮可以随便切换各个车间画面，以便于观测和监控，下放的启停按钮可以控制切割车间的启动和停止，通过一次切割厢下方的显示灯显示，可知道切割是否运行，当切割厢上的显示灯为绿色时，正在运行，当显示为红色时，操作已经完成。
第4章功能设计
4.1 趋势曲线
趋势曲线用来反应数据变量随时间的变化情况。趋势曲线有两种：实时趋势曲线和历史趋势曲线。这两种曲线外形都类似于坐标纸，X轴代表时间，Y轴代表变量的量程百分比。所不同的是，在您的画面程序运行时，实时趋势曲线随时间变化自动卷动，以快速反应变量的新变化，但是不能时间轴“回卷”，不能查阅变量的历史数据；历史趋势曲线可以完成历史数据的查看工作，但它不会自动卷动（如果实际需要自动卷动可以通过编程实现），而需要通过带有命令语言的功能按钮来辅助实现查阅功能。在同一个实时趋势曲线中最多可同时显示四个变量的变化情况，在同一个历史趋势曲线口中最多可同时显示十六个变量的变化情况。首先让我们先来了解一下实时趋势曲线的使用。实时趋势曲线将“反应罐液位”的变量值在实时趋势曲线中显示出来。激活Touchmak程序，选择菜单“文件＼新画面”，建立一个新画面。在工具箱中选用“实时趋势曲线”工具然后在画面上绘制趋势曲线，如下图：
图4-1趋势曲线
双击此实时趋势曲线对象，弹出“实时趋势曲线”对话框，对话框设置如下图：
图4-2趋势曲线标示定义里可以修改一些需要的参数。
图4-3趋势曲线
趋势曲线有实时曲线和历史曲线，都是用来反应数据变量随时间的变化情况。实时曲线中包括传统模式和对比模式两种显示方式。传统模式中有可以显示不同工程画面中的实时数据#单击操作区的对比模式按键#画面切换到对比模式#对比模式中将同的数据进行对比。点击操作区中的历史曲线按键"就能直接进入历史曲线画面"历史曲线中可以进行添加#删除曲线"同时还有曲线的放大#缩小#实时更新"以及时间轴选择等功能。
4.1.1实时曲线
时趋势曲线包括传统模式和对比模式。实时曲线是以曲线形式显示监视数据的实时值。传统模式把所有的数据显示在一个图表中。曲线分别以不同颜色表示不同的数据。同时在右侧的图例中可以勾选所要显示的曲线，被选中的曲线在绘图区中显示。图标的横轴为时间轴，纵轴为数值。传统模式下还可通过屏幕下方的相应的车间按钮来监控不同车间的曲线。
图4-4 实时曲线
4.1.2历史曲线
历史曲线是显示监控数据的某阶段历史值。在画面的右下方可以设定历史曲线的查询条件。首先设定查询的起始时间，查询跨度。点击设定按钮保存设定。普通模式把所有的水质数据显示在一个图表中。曲线分别以不同颜色表示。同时在屏幕下方的图例中可以勾选所要显示的曲线，被选中的曲线在绘图区中显示。图标的横轴为时间轴，纵轴可通过设置来显示百分比或者实际值。
图4-5 历史曲线
4.2 报表
报表包括实时报表和历史报表。实时数据报表以表格的形式显示系统中所有的重要指标的实时数据。可以进行数据保存，打印，打印预览等操作。历史报表其中包含日报表和月报表和自由报表。以自由报表为例：首先选择报表类型如自由报表，然后选择查询内容，再填写要查询的起始时间和终止时间，点击查询键，查询结果会显示在报表中。同时增加了多个行业特色报表，包括变量变化记录，操作记录，成品表等。
数据报表是反应生产过程中的过程数据、运行状态等，并对数据进行记录、统计的一种重要工具，是生产过程中必不可少的一个重要环节。它既能反应系统实时的生产情况又能对长期的生产过程数据进行统计、分析、使管理人员能够掌握和分析生产过程情况。组态王内嵌式报表系统，工程人员可以任意设置报表格式，对报表进行组态。组态王为工程人员提供了丰富的报表函数，实现各种运算、数据装换。统计分析、报表打印等。即可以制作实时报表又可以制作历史报表。另外，工程人员还可以制作各种报表模板，实现多次使用，以免重复工作。实时报表是可以监测实时的重要数据，可以显示液体混合各个罐的液位和称重车间各个参数的重量，利用报表，可以更好的观测数据，以及保存，打印，监测。